朱 可

（上海諾雅克電氣有限公司，上海 201616）

伴隨著新興技術(shù)的發(fā)展，人們對用電要求更加嚴格，斷路器是人們?nèi)粘０踩秒姴豢扇鄙俚牟糠?，它在電力系統(tǒng)中可以斷開和閉合線路，對人們安全用電有著至關(guān)重要的作用。低壓斷路器在工作過程中，會存在多種不確定的因素，因此對其進行故障監(jiān)測和診斷的研究十分必要。

1 低壓斷路器常見故障及原因

根據(jù)現(xiàn)有的文獻及調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)人們在使用低壓斷路器過程中常見的故障及原因主要有以下幾種：

1.1 斷路器拒合和拒分

斷路器在實際使用過程中會發(fā)生“拒合”情況，其主要體現(xiàn)為兩個方面，一是鐵芯沒有開始運作；二是鐵芯動作后，操作杠桿沒有運作。其中，如在回路有電壓時鐵芯沒有運作，可能是由于線圈燒毀或斷線，尤其引線段易折斷、鐵芯卡澀等因素造成；當鐵芯動作后，操作杠桿沒有運作造成此現(xiàn)象的因素可能但不限于鐵芯動作時受阻，操作杠桿變形，鎖扣扣的很深等。

同樣，在出現(xiàn)“拒分”故障時，主要表現(xiàn)為三個方面，一是鐵芯未啟動；二是操作機構(gòu)未能得到釋放；三是機制連板體系沒有活動。其中，如在線圈帶電壓時鐵芯沒啟動可能是由于鐵芯卡澀，線圈發(fā)生毀壞，次級電路接觸不良等導(dǎo)致鐵芯無法啟動；當操作機構(gòu)沒有得到釋放時，可能是由于杠桿變形，操作機構(gòu)被卡住等因素造成；機構(gòu)連板系統(tǒng)不運動主要是由于整體或部分嚴重機械干涉。

1.2 斷路器誤合分閘

斷路器在使用過程中會出現(xiàn)開、合閘的誤操作，給安全用電帶來重大的影響，故障表現(xiàn)有彈簧儲能后合閘、無信號分閘、合后即分的現(xiàn)象。其中出現(xiàn)彈簧儲能后合閘的現(xiàn)象，可能是由于連桿未復(fù)歸、鎖扣支架的部件松動、馬達的電源不正常工作等因素引起；無信號分閘可能是由于分閘電磁鐵動作電壓不穩(wěn)定，繼電器接點不正常閉合，次級回路存在混線，產(chǎn)生接地的現(xiàn)象等因素引起；合后即分可能是由于未能將鎖鉤復(fù)位到四連桿，鎖鉤的最終面彎曲是由于異常緊固造成的，并且操作機制重新啟動部位間隔非常大。

1.3 繼電器的故障

繼電器在斷路器使用過程中具有決定性的作用，它能夠保證系統(tǒng)正常運行，繼電器故障主要表現(xiàn)為分合閘觸點出現(xiàn)粘結(jié)、對導(dǎo)體間呈現(xiàn)的電阻增大、繼電器卡死不動的現(xiàn)象，其中分合閘觸點出現(xiàn)粘結(jié)可能是由于電流過大、操作頻繁、電壓低等因素造成；對導(dǎo)體間呈現(xiàn)的電阻增大，其簧片損壞是可能性的原因之一；操作組件的壓力變?。唤佑|點發(fā)生耗損；觸點材料不合格，導(dǎo)致接觸面的面積偏大等因素造成；繼電器卡死不動可能是由于二次線圈破損，活動零件間隙污染等因素造成。

2 應(yīng)用波形分析和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行低壓斷路器誤差診斷

用小波分析法的變換，結(jié)合波形提取信號特性，通過模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測低壓電路斷路器線圈相關(guān)故障方法如下。

2.1 診斷思路

首先用小波分析法中的波形分析找出具有標志性的信號值作為輸入信號，然后將模糊特征值用作神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入項，將收集到的樣本傳送到模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并找到關(guān)于儀器故障類型的信息。不同的輸出要求，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究中可以采用不同的類型，在這種情況下，對要檢測的輸入的特征值進行測試以獲得網(wǎng)絡(luò)輸出，網(wǎng)絡(luò)的輸出結(jié)果最后被處理和分析并得到檢測結(jié)果，這使得設(shè)備有無發(fā)生故障，以及故障的類型和位置得以確定，以便實現(xiàn)進一步處理。妨礙正常運作的故障環(huán)境檢測流程圖如圖1所示。

圖1 故障診斷流程圖

2.2 小波分析故障檢測標準值的選擇

典型的妨礙空氣斷路器正常運作的現(xiàn)象，比如：拒分、拒合、誤合、誤分等。在脫扣及傳動系統(tǒng)中會出現(xiàn)自由行裝置被移位、堵塞甚至損壞，鐵芯行程失效、堵塞或松弛的現(xiàn)象。在操作機制中，電磁鐵是一個非常重要的控制部件，當外部命令要求斷路器開關(guān)運作時，它會正常工作以保證電路的安全。

閉合線圈中的電流顯示了大部分斷路器的執(zhí)行信息，對電路電流信號的研究有助于了解電磁鐵控制的閥門及在工作時間接觸到的主要機構(gòu)的工作狀況。通常，可以用可能有缺陷的實際輸出值替換它以使其更容易，或者可以通過不同的輸出值來指示設(shè)備的正常模式。本文中，所選擇的網(wǎng)絡(luò)輸出是正常機構(gòu)，鎖扣阻塞、線圈下方觸點閉合較弱、運行機構(gòu)的運行速度低等。然而將傳出數(shù)值用0和1之間作為臨界點。輸出值示意妨礙設(shè)備運行的故障環(huán)境的幾率，但也有妨礙動作其故障環(huán)境水平，當輸出值靠近1時，暗示出妨礙運作的發(fā)生故障幾率增添，或在靠近0時削減妨礙工作及出現(xiàn)故障的可能性。

目前，關(guān)于低壓電壓設(shè)備狀況的信息主要來自電感應(yīng)器和運動感應(yīng)器。該系統(tǒng)的主要目的是確定子門的流量信號或振動信號，提取研究這些信號所需要的特性的價值，分析數(shù)據(jù)，并通過霍爾電流傳感器收集電流信號。

分合閘線圈的等值電路主要有電阻和電感線圈，即斷路器中價值意義重要的特征信號值，分合閘線圈中的電流信號在鐵芯動作之前呈指數(shù)上升，當電流增加到一定數(shù)量時，鐵磁開始移動，回路中將出現(xiàn)反向，在這種情況下，電流將變成向下的曲線，直到鐵芯被完全吸收。此時如果斷路器開啟或關(guān)閉，當電流在環(huán)內(nèi)運動時，電流從零開始改變，不能立即穩(wěn)定，目前鐵芯吸力也在慢慢改變，當v=0時，即鐵芯的吸引力不準運動。

在斷路器進行分合時，非常豐富的特征值和信號都歸于電流信號中，提取這些經(jīng)典的特征典范進行研究，以有效闡明妨礙斷路器正常所動的故障環(huán)境的情況。利用小波分析法測量空間碎片群的波形，然后根據(jù)小波的性質(zhì)分析波形，進一步確定波形中的點，從而得出研究波形所需的特性值。

2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

RBF（徑向基）及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等均包含在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中。根據(jù)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，模糊神經(jīng)模型是為特定分析建立，RBF與BP同屬于前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，然而，RBF可以在處理復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系方面保持高度的精確性，并在解決次要問題方面發(fā)揮重要作用。

徑向基一般用S函數(shù)（雙曲正切）。將輸出量用線性函數(shù)表示，通過RBF處理，一般RBF用取整函數(shù)，具有隱藏層字符的輸出，網(wǎng)絡(luò)輸出包括隱藏層字符的輸出。

RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢測和診斷成果與真實的情節(jié)環(huán)境異曲同工。RBF模型的檢測比BP更精確，更具有超速度、時間短的特性，并且在同等條件下比BP更具有檢測結(jié)果的能力。因此，以RBF為基礎(chǔ)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以有效診斷低壓電停電，并且有實用性。

3 低壓斷路器的在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)

現(xiàn)階段，在線監(jiān)控體系首要是現(xiàn)場信號訊息的變更、處置、數(shù)據(jù)搜集、傳輸、處置、診斷。具體流程如圖2所示。

圖2 在線檢測系統(tǒng)框架

3.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

在檢索國內(nèi)外相關(guān)數(shù)據(jù)及文獻后，本文對自動空氣斷路器在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)設(shè)計將具有以下功能。

（1）狀況監(jiān)控：監(jiān)控斷路器開合狀態(tài)，辨別具有典范的信號訊息，提取典范的標準值，推測出相應(yīng)的妨礙正常運作的典型故障類型為范例。

（2）數(shù)據(jù)保存：低壓電路斷路器根據(jù)工作時間隨時保存電流線圈信號，為數(shù)據(jù)服務(wù)。

（3）歷史查詢：匯總并記錄低壓電路斷路器的異常時間和類型，以確?？梢钥焖僬{(diào)用曲線和狀態(tài)數(shù)據(jù)。

（4）故障檢測：低壓電路斷路器故障的具體算法和類型由所采集的運動特性的大小確定。

（5）通訊報警：當成套配電裝置運行軌跡異樣時，警示設(shè)備運作非正常模式，紅色報警按鈕發(fā)出報警噪音視作提醒，應(yīng)予以警惕。

3.2 系統(tǒng)中的部件

系統(tǒng)中的硬件和軟件部分包括上位機和下位機，其中上位機由控制板、硬盤、顯示器構(gòu)成，能夠采集操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)和軟件。下位機的主芯片以FPGA芯片為主，視為系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，在數(shù)據(jù)的收集和通信中發(fā)揮非同尋常的作用。

上位機中邏輯板可以連接某些傳感器、SSD和顯示器，SSD用以保存大量狀態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合軟件運行平臺和人機界面，實時監(jiān)控斷路器狀態(tài)，提取需要讀取的數(shù)據(jù)，以便更直觀地進行觀察，數(shù)據(jù)和結(jié)果將顯示在最前沿，查詢以往數(shù)據(jù)、運行狀況識別、故障檢測和數(shù)據(jù)保存相組合。

霍爾電流傳感器在下位機中收集電流信號、觸點動作等，然后通過A/D將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紽PGA芯片，最后對電路進行切片，避免系統(tǒng)故障，促進系統(tǒng)穩(wěn)定。下位機以FPGA芯片為主要工作芯片，采用數(shù)字濾波算法，增強數(shù)據(jù)收集階段其過程的穩(wěn)定性，使其過程進行更加平緩不具波動。

為了實時監(jiān)測自動空氣斷路器各個階段的狀況，由于信息量與環(huán)境的不確定性等相關(guān)因素的存在，使得網(wǎng)上監(jiān)測和評估系統(tǒng)具有較高的標準性，因此，該文件使用FPGA芯片作為從下位機收集數(shù)據(jù)的主要部分。采用FPGA芯片是由于考慮到其具備如下特色：

（1）功能豐富。數(shù)字電路可按需要調(diào)整，在設(shè)計時限制少，靈活性高。

（2）反應(yīng)迅速。FPGA芯片執(zhí)行硬件的方式應(yīng)用于超快電子線路，提升整條線路速度，并以非?？斓倪壿嬤\行。

（3）時間短，費用少，風(fēng)險低。

（4）超契合。能夠整合CPU以實現(xiàn)系統(tǒng)。

3.3 系統(tǒng)的流程

首先在空氣斷路器中收集對于檢測故障具有高效作用的信號，如分合閘線圈電流信號、設(shè)備的振動波形、電流沖擊狀態(tài)等，收集相關(guān)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)輸入調(diào)節(jié)電路中處理，以便系統(tǒng)分析，模擬量將通過A/D輸入到FPGA芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，數(shù)字傳感器將用于收集相關(guān)信息，例如低壓斷路器的使用壽命和數(shù)量等。FPGA芯片為工作的主要芯片，其作用是收集和分析信號并將其傳輸?shù)缴衔粰C。收集到的信號在下位機時就做出處理并傳送至上位機，輸入信號將變換波形分析與模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)系，顯示檢測結(jié)果和真實狀況，即故障檢測信號。最后，系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)自己能夠正確監(jiān)控和診斷低壓斷路器的故障。

3.4 系統(tǒng)建設(shè)特征

（1）高精度數(shù)據(jù)取樣。經(jīng)由電流傳感器，可以精確地得到電流的相關(guān)訊息，從而保證取得信息的可靠性，為檢測后供給依據(jù)。

（2）超高效的數(shù)據(jù)傳送。兩芯片平行運行，一個在系統(tǒng)內(nèi)收集數(shù)據(jù)，而另一個則負責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，彼此獨立溝通，并提高數(shù)據(jù)的傳輸牢靠性和實時性。

（3）強大的數(shù)據(jù)存儲。開關(guān)柜內(nèi)處于復(fù)雜性工作環(huán)境，數(shù)據(jù)存儲要求高。SSD體積小，讀寫速度快，防震性強，通過分離和關(guān)閉斷路器，確保它能夠瞬間容納大量寫入的數(shù)據(jù)。

（4）人機界面。主要軟件的操作語言在視窗系統(tǒng)中得到處理。

（5）該體系上位機的操作語言已徹底形成視窗體系。功能齊全，操作簡單，使其具有在相應(yīng)變電站中全面推廣的優(yōu)勢。

4 結(jié)束語

本文首先介紹了低壓斷路器使用過程中可能出現(xiàn)的幾種故障。其次采用小波分析法，對自動空氣斷路器故障進行診斷分析，以波形分析為前提，引用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，結(jié)合模型所獨有的優(yōu)勢進行研究，使故障判測更具有靈活性，其結(jié)果更精確與真實情況更為相近。最后建立了低壓斷路器故障監(jiān)測與診斷的研究系統(tǒng)，希望能夠為安全用電研究提供一定的參考價值。